JP2007295676A - 磁石埋め込み型回転子、この回転子を用いた電動機及びこの電動機を用いた圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】発生トルクを低減させることなく、コギングトルクを低減し、かつ、振動騒音を低減させた磁石埋め込み型回転子、電動機及び圧縮機を提供すること。
【解決手段】回転子鉄心に永久磁石を所定間隔で埋め込んで形成した磁石埋め込み型回転子において、前記複数の永久磁石に対応した前記回転子鉄心における突極部間の外周面に、第１突起部とこの第１突起部の両側に切欠き部を形成し、前記永久磁石の両端部に磁束短絡防止用の非磁性部を形成し、この非磁性部と前記切欠き部との間のブリッジ部を磁気飽和する程度に可及的に狭くし、前記切欠き部に外周面方向へ伸びる１ないし複数個の第２突起部を形成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、民生機器、産業機器などに使用される電動機や発電機において、回転子鉄心に永久磁石を埋め込み構成された磁石埋め込み型回転子及びこの回転子を用いた電動機に関するものである。

この種の磁石埋め込み型回転子を使用した一般的な電動機は、図１２に示すように、固定子１０の内周部に、空隙部１２をもって回転子１１を配置したもので、前記回転子１１は、薄板状の珪素鋼板を多数枚積層した回転子鉄心１９に、４枚の永久磁石１６を略正方形に埋め込み、リベット１８で固定し、中心には、回転軸１３が取り付けられており、また、各永久磁石１６の両端部には磁束短絡防止のための空隙などの非磁性部１７が形成されてなるものである。そして、前記各永久磁石１６の外側に面した回転子鉄心１９の部分が突極部２０を構成している。
また、前記固定子１０は、例えば、６個の固定子歯部１４が６０度間隔で形成され、それぞれの固定子歯部１４に３相の固定子巻線１５が巻回されて構成されている。

この図１２に示すような形状の回転子１１を使用した電動機の磁束密度分布は、図１５に示すように矩形波に近い特性を示し、高調波成分を多く含み電動機回転時に発生する鉄損が多くなり、効率が低下する。
そこで、これを改善するため図１３に示す回転子構造のものが提案されている（特許文献１）。
これは、図１３に示すように、回転子鉄心１９の元の半径よりも小さな半径ｒの中心点を、回転子１１の中心点からずらして回転子鉄心１９の外周面２４が突極部２０の中心部から非磁性部１７にかけて空隙長が次第に大きくなるように変化させて構成したものである。この特許文献１によれば、高調波成分を減らして鉄損を低減することにより、磁束密度分布は、図１４に示すように正弦波に近い特性を示すとしている。

また、トルクリップルを小さくして、振動・騒音の低減を図ったものとして、図１６に示すものが知られている（特許文献２）。
一般に、永久磁石１６の端部と回転子鉄心１９の外周面２４との間には、回転子鉄心１９を分割しないようにするため、細長のブリッジ部２１で連結されるが、図１６（ａ）に示す第１例では、ブリッジ部２１の幅が突極部２０側から隣接する２つの非磁性部１７における補強リブ部２２にかけて次第に狭くなるように非磁性部１７の内周面２３を鎖線から実線のように変化させて構成したものである。
図１６（ｂ）に示す第２例では、回転子鉄心１９の外周面２４を鎖線から実線のように切り欠いて幅に変化をもたせたものである。
図１６（ｃ）に示す第３例では、非磁性部１７の内周面２３を階段状に切り欠いて構成したものである。
図１６（ｄ）に示す第４例では、非磁性部１７の内周面２３を多角形状に切り欠いて構成したものである。
このような構成により、トルクリップルを小さくして、振動・騒音の低減を図ることができるとしている。

以上のようなブリッジ部２１の幅を徐々に変化させるものでは、永久磁石１６の磁束が分散されるという問題があった。すなわち、図１３及び図１６に示す回転子１１の形状では、それぞれの永久磁石１６の両端部に非磁性部１７が設けられているが、当該永久磁石１６の磁束が非磁性部１７から対向する固定子１０を介して隣接する突極部２０に漏れ磁束が発生し、この漏れ磁束によりコギングトルクが増加し、結果的に騒音が増加するという問題があった。そのため、ピーク値が大きく、かつ、高調波成分が少ない誘起電圧を実現することが困難であった。

このような問題点を解決するため、本出願人は、図５に示すように、磁束密度を集中させるために急峻な切欠き部２５を設けるとともに、隣接する非磁性部１７の間のブリッジ部２１を外周面２４まで伸ばして突起部２６を形成したものを提案した（特許文献３）。
特開２００３−３７９５５号公報。 特開２０００−２１７２８７号公報。 特開２００５−３５４７９８号公報。

特許文献３に示すものは、電動機の出力トルクの増加を図り、しかも、コギングトルクを低減しているが、急峻な切欠き部２５を設けると、依然として磁束密度の変化が大きく、誘起電圧波形に５次の高調波成分が乗ってしまうという若干の問題があった。
本発明の目的は、発生トルクを可能な限り低減させることなく、コギングトルクを低減し、かつ、振動騒音（トルクリップル）を低減させた磁石埋め込み型回転子及びこの回転子を用いた電動機を提供しようとするものである。

本発明による磁石埋め込み型回転子は、回転子鉄心に永久磁石を所定間隔で埋め込んで形成した磁石埋め込み型回転子において、前記複数の永久磁石に対応した前記回転子鉄心における突極部間の外周面に、第１突起部と切欠き部を形成し、前記永久磁石の両端部に磁束短絡防止用の非磁性部を形成し、この非磁性部と前記切欠き部との間のブリッジ部を磁気飽和する程度に狭くし、前記切欠き部に外周面方向へ伸びる第２突起部を形成したことを特徴とする。

前記切欠き部は、突極部の外周面から第１突起部に向けて徐々に変化するように形成したことを特徴とする。
前記突極部の外周面における両側の切欠き部を開始する変曲点間の中心角が４０〜４８度に設定したことを特徴とする。
切欠き部における第２突起部を、間隔をおいて異なる高さに複数個形成し、固定子との空隙部との距離に変化をつけたことを特徴とする。
永久磁石は、直線的に形成したものからなることを特徴とする。

請求項１記載の発明は、回転子鉄心に永久磁石を所定間隔で埋め込んで形成した磁石埋め込み型回転子において、前記複数の永久磁石に対応した前記回転子鉄心における突極部間の外周面に、切欠き部と第１突起部を形成し、前記永久磁石の両端部に磁束短絡防止用の非磁性部を形成し、この非磁性部と前記切欠き部との間のブリッジ部を磁気飽和する程度に狭くし、前記切欠き部に外周面方向へ伸びる第２突起部を形成したので、電動機の出力トルクの増加を図り、しかも、コギングトルクを低減し、さらに、振動騒音（トルクリップル）を低減させることができる。従って、より正弦波に近づいた出力波形とすることができる。

請求項２記載の発明は、切欠き部は、突極部の外周面から第１突起部に向けて徐々に変化するように形成したので、磁束密度の変化が小さくなり、誘起電圧波形に高調波成分が乗ってしまうことを可及的に改善できる。

請求項３記載の発明は、突極部の外周面における両側の切欠き部を開始する変曲点間の中心角が４０〜４８度に設定したので、波形の頂部をさらに正弦波形に近づけることが出来る。

請求項４記載の発明は、切欠き部における第２突起部を、間隔をおいて異なる高さに複数個形成し、固定子との空隙部との距離に変化をつけたので、波形の頂部よりも両側部の波形をさらに膨らませて正弦波形に近づけることが出来る。

請求項５記載の発明は、永久磁石は、外周に向かって広がるＶ字状に形成したので、出力を上げつつトルクリップルを低減できる。

請求項６記載の発明は、固定子と回転子を具備し、前記回転子の回転子鉄心に永久磁石を所定間隔で埋め込んで形成した磁石埋め込み型回転子を用いた電動機において、前記固定子は、固定子ヨーク部から所定間隔で中心部に伸びる複数の固定子歯部にそれぞれ固定子巻線を集中的に巻回した集中巻き固定子であり、前記回転子は、前記複数の永久磁石に対応した突極部間の外周面に、第１突起部とこの第１突起部の両側に切欠き部を形成し、前記永久磁石の両端部に磁束短絡防止用の非磁性部を形成し、この非磁性部と前記切欠き部との間のブリッジ部を磁気飽和する程度に狭くし、前記切欠き部に外周面方向へ伸びる第２突起部を形成したので、民生機器、産業機器などに使用される電動機として利用すると、電動機の出力トルクの増加を図り、しかも、コギングトルクを低減し、さらに、振動騒音（トルクリップル）を低減させたものを提供することができる。

請求項７記載の発明は、密閉容器の内部に配置した圧縮部と、この圧縮部における吸入口から吸入した冷媒ガスを圧縮して吐出口から吐出する駆動源としての請求項６記載の電動機とを具備したので、出力の増加を図り、しかも、コギングトルクを低減し、さらに、振動騒音（トルクリップル）を低減させた圧縮機を提供することができる。

回転子は、薄板状の珪素鋼板を多数枚積層した回転子鉄心と、４枚の永久磁石と、中心の回転軸と、外周近くの４箇所の固定用リベットとで構成されている。
前記回転子鉄心は、基本的には所定半径を有し、前記永久磁石は、長手×短手の大きさで、中心点を通るＸ軸とＹ軸に平行に距離をおいて埋め込まれ、これらの永久磁石の長手の面に対応する外周面側が突極部を構成している。また、これらの永久磁石の両端部には、磁束短絡防止のための空隙などの非磁性部が形成され、隣接する２つの非磁性部の間は、補強リブ部となっている。この補強リブ部に連続する回転子鉄心の外周面側は、第１突起部が形成され、この第１突起部の両側の外周面部分は、切欠き部となっており、この切欠き部に、本発明特有の第２突起部が１ないし複数個形成されている。

以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。
図１及び図２において、回転子１１は、薄板状の珪素鋼板を多数枚積層した回転子鉄心１９と、４枚の永久磁石１６と、中心の回転軸１３と、外周近くの４箇所の固定用リベット１８とで構成されている。
前記回転子鉄心１９は、半径Ｒ（例えば３０．００ｍｍ）とすると、前記永久磁石１６は、長手Ｄ１（例えば２６．５ｍｍ）×短手Ｄ２（例えば２．８ｍｍ）の大きさで、中心点Ｏを通るＸ軸とＹ軸に平行に距離Ｌ（例えば１８．０２ｍｍ）をおいて埋め込まれ、これらの永久磁石１６の長手の面に対応する外周面２４側が突極部２０を構成している。また、これらの永久磁石１６の両端部には、磁束短絡防止のための空隙などの非磁性部１７が形成され、隣接する２つの非磁性部１７の間は、補強リブ部２２となっている。この補強リブ部２２に連続する回転子鉄心１９の外周面２４側は、第１突起部２６が形成され、この第１突起部２６の両側の外周面２４部分は、切欠き部２５となっており、この切欠き部２５に、本発明特有の第２突起部２７が１ないし複数個形成されている。

固定子は、図１２と同様の構成で、例えば、６個の固定子歯部１４が６０度間隔で形成され、それぞれの固定子歯部１４に３相の固定子巻線１５を集中的に巻回した集中巻き固定子として構成されている。

前記回転子１１をさらに具体的数値をもって詳細に説明すると、前記突極部２０の部分は、軸線を中心にした中心角θ（例えば４４度）が半径Ｒ＝３０．００ｍｍで、この両端のＨ点を変曲点として第１突起部２６まで半径ｒとなるような切欠き部２５が形成される。この半径ｒの中心点Ｐは、例えばＸ軸からＰ１（例えば１２．１３ｍｍ）、Ｙ軸からＰ２（例えば３．５９ｍｍ）の地点とする。このようにして非磁性部１７と切欠き部２５との間のブリッジ部２１は、磁気飽和して磁束が通過しにくくなるように、回転子鉄心１９の打ち抜き加工や固定子１０の組み立て加工に支障のない範囲で可能な限り幅の狭い、例えば０．５ｍｍ程度又はそれ以下の幅に形成される。

前記本発明特有の第２突起部２７は、図１の例では、３個の第２突起部２７ａ、２７ｂ、２７ｃが形成され、図２では２個の第２突起部２７ａ、２７ｂが形成された例を示している。
これらの第２突起部２７ａ、２７ｂ、２７ｃは、幅が０．３〜０．６ｍｍ程度で、いずれも先端部が切り欠く前の円周面２４より低く設定される。また、本発明の目的であるコギングトルクを低減し、かつ、振動騒音（トルクリップル）を低減させる効果は、突極部２０に近い方が最も大きく、第２突起部２７ａ＞第２突起部２７ｂ＞第２突起部２７ｃの順となる。

実施例１のように構成された回転子１１（図１又は図２）の実験による作用効果を図９及び図１０により説明する。
図９において、図５、図６、図７及び図８は、第２突起部２７を有しない比較のための回転子１１を表している。すなわち、図５は、急峻な切欠き部２５を設け、第１突起部２６を形成し、半径Ｒ部分の中心角θを５７．０度としたものを示し、図６は、徐々に変化する切欠き部２５を設け、第１突起部２６を形成し、半径Ｒ部分の中心角θを４８．０度としたものを示し、図７は、徐々に変化する切欠き部２５を設け、第１突起部２６を形成し、半径Ｒ部分の中心角θを４０．０度としたものを示し、図８は、徐々に変化する切欠き部２５を設け、第１突起部２６を形成し、半径Ｒ部分の中心角θを４４．０度としたものを示している。

これら５つの例を比較すると、図９に示すように、
コギングトルクは、図１に示す本発明による第２突起部２７を有する回転子１１が第２突起部２７のないものに比較して約１／２に減少している。
出力トルクは、第２突起部２７を有する回転子１１が他よりわずかに少ないが、いずれもほとんど変わらない。
誘起電圧波形と周波数特性は、図１０に示される。このうち、誘起電圧波形図によれば、中心角θが大きいと波形の頂部が扁平になり、小さいと先鋭になることが分かり、４０〜４８度、より好ましくは４４度程度が最適であることが分かる。また、第２突起部２７のない図５、図６、図７及び図８の例では、頂部の両側で急激に立ち下がった後、水平になり、さらに急激に立ち下がるという凹凸が出来る。これに対し、第２突起部２７を有する図１では、立下りが緩やかになり、正弦波形に極めて近似している。
トルクリップルは、周波数特性図からも明らかなように、図５の場合、５次、７次、１１次、１３次の高調波が現れ、最も多い。図１は、図６、図７、図８よりわずかに劣るが、使用上問題ない。

図３は、本発明の実施例２を示すもので、この例では、永久磁石１６をＶ字状に配置した例を示している。永久磁石１６をＶ字状に配置すると、出力は向上するが、本発明の目的であるコギングトルクを低減し、かつ、振動騒音（トルクリップル）を低減させる効果は実施例１とほとんど変わらない。また、その他の構成は、図２と変わるところはない。
図４（ａ）は、２個の第２突起部２７ａ、２７ｂを形成した図３の拡大図を示し、図４（ｂ）は、１個の第２突起部２７ａを両側が急峻に立ち上がって形成した例を示し、図４（ｃ）は、１個の第２突起部２７ａを両側が滑らかに立ち上がって形成した例を示している。

実施例２のように構成された回転子１１（図３又は図４）の実験による作用効果を図１１により説明する。
コギングトルクは、図４（ｃ）に示した第２突起部２７が１個で、滑らかな場合が最も優れているが、図４（ａ）と図４（ｂ）の場合も充分に効果があることを示している。
トルクリップルは、図４（ａ）に示した第２突起部２７が２個の場合に最も優れているが、図４（ｂ）と図４（ｃ）の場合も充分に効果があることを示している。

前記実施例では、回転子１１における永久磁石１６を、９０度間隔で４個配置した例を示したが、これに限られるものではなく、６０度間隔で６個配置したり、４５度間隔で８個配置したりするなど、適宜設定できる。
また、固定子１０についても前記実施例に限られるものではない。

以上のように構成された電動機を圧縮機に搭載することが出来る。圧縮機は、一般的に、ロータリー圧縮機とスクロール圧縮機の２種類に大別される。
このうち、ロータリー圧縮機は、例えば、本出願人の先の出願に係る特開２００２−１９５１８０号公報に記載されているように、密閉容器内の上部に電動機を配置し、下部に圧縮部を配置し、これらの間は、前記電動機の回転力を前記圧縮部に伝達するための偏心軸部を有するクランク軸で連結されている。前記圧縮部は、吸入口と排出口を有するシリンダが上軸受と下軸受で支持され、前記シリンダの内部には、偏心軸部に回転可能に嵌合された環状のローラが設けられて構成されている。
このようなロータリー圧縮機における電動機として、本発明による磁石埋め込み型回転子を用いた電動機を搭載することができる。

また、スクロール圧縮機は、例えば、本出願人の先の出願に係る特開２００５−２１０８２６号公報に記載されているように、密閉容器内をメインフレームにより圧縮機室と電動機室とに区画するとともに、前記電動機室の下部にサブフレームにより区画された油溜室を設け、前記電動機室には固定子と回転子と旋回軸を有するクランクシャフトとを備える電動機を設け、前記圧縮機室の上部には吐出室、下部にはスクロール式の圧縮部を設け、このスクロール式の圧縮部は、固定スクロール、旋回スクロールに備える各ラップ間に形成される圧縮空間を有し、クランクシャフトの回転に伴いオルダムリングの働きにより旋回スクロールを旋回駆動して、吸入管から冷媒ガスを吸入圧縮して、吐出孔から吐出室に吐出し、この吐出室に吐出された高圧冷媒ガスは第１冷媒通路を通して電動機室の上部に導かれ、この電動機室の上部に備える吐出管から冷凍サイクルに導出されるように構成されている。
このようなスクロール圧縮機における電動機として、本発明による磁石埋め込み型回転子を用いた電動機を搭載することができる。

本発明による実施例１の回転子１１を示す部分拡大図である。 本発明による実施例１の回転子１１の具体的寸法を示す部分拡大図である。 本発明による実施例２の回転子１１を示す部分拡大図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ本発明による実施例２の回転子１１における第２突起部２７の異なる例を示す部分拡大図である。 比較のための回転子１１であって、急峻な切欠き部２５を設け、第１突起部２６を形成し、半径Ｒ部分の中心角θを５７．０度とした部分拡大図である。 比較のための回転子１１であって、徐々に変化する切欠き部２５を設け、第１突起部２６を形成し、半径Ｒ部分の中心角θを４８．０度とした部分拡大図である。 比較のための回転子１１であって、徐々に変化する切欠き部２５を設け、第１突起部２６を形成し、半径Ｒ部分の中心角θを４０．０度とした部分拡大図である。 比較のための回転子１１であって、徐々に変化する切欠き部２５を設け、第１突起部２６を形成し、半径Ｒ部分の中心角θを４４．０度とした部分拡大図である。

比較のための回転子１１と本発明による実施例１の回転子１１の特性比較の説明図である。 比較のための回転子１１と本発明による回転子１１の波形の比較図である。 比較のための回転子１１と本発明による実施例２の回転子１１の特性比較の説明図である。 磁石埋め込み型回転子を使用した一般的な電動機の説明図である。 従来の磁石埋め込み型回転子の説明図である。 図１３の磁石埋め込み型回転子特性図である。 図１２の磁石埋め込み型回転子特性図である。 従来の他の磁石埋め込み型回転子の説明図である。

符号の説明

１０…固定子、１１…回転子、１２…空隙部、１３…回転軸、１４…固定子歯部、１５…固定子巻線、１６…永久磁石、１７…非磁性部、１８…リベット、１９…回転子鉄心、２０…突極部、２１…ブリッジ部、２２…補強リブ部、２３…内周面、２４…外周面、２５…切欠き部、２６…第１突起部、２７…第２突起部、２８…ストッパ、２９…固定子ヨーク部。

Claims (7)

1. 回転子鉄心に永久磁石を所定間隔で埋め込んで形成した磁石埋め込み型回転子において、前記複数の永久磁石に対応した前記回転子鉄心における突極部間の外周面に、切欠き部と第１突起部を形成し、前記永久磁石の両端部に磁束短絡防止用の非磁性部を形成し、この非磁性部と前記切欠き部との間のブリッジ部を磁気飽和する程度に狭くし、前記切欠き部に外周面方向へ伸びる第２突起部を形成したことを特徴とする磁石埋め込み型回転子。
2. 切欠き部は、突極部の外周面から第１突起部に向けて徐々に変化するように形成したことを特徴とする請求項１記載の磁石埋め込み型回転子。
3. 突極部の外周面における両側の切欠き部を開始する変曲点間の中心角が４０〜４８度に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の磁石埋め込み型回転子。
4. 切欠き部における第２突起部を、間隔をおいて異なる高さに複数個形成し、固定子との空隙部との距離に変化をつけたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の磁石埋め込み型回転子。
5. 永久磁石は、外周に向かって広がるＶ字状に形成したものからなることを特徴とする請求項１、２，３又は４記載の磁石埋め込み型回転子。
6. 固定子と回転子を具備し、前記回転子の回転子鉄心に永久磁石を所定間隔で埋め込んで形成した磁石埋め込み型回転子を用いた電動機において、前記固定子は、固定子ヨーク部から所定間隔で中心部に伸びる複数の固定子歯部にそれぞれ固定子巻線を集中的に巻回した集中巻き固定子であり、前記回転子は、前記複数の永久磁石に対応した突極部間の外周面に、第１突起部とこの第１突起部の両側に切欠き部を形成し、前記永久磁石の両端部に磁束短絡防止用の非磁性部を形成し、この非磁性部と前記切欠き部との間のブリッジ部を磁気飽和する程度に狭くし、前記切欠き部に外周面方向へ伸びる第２突起部を形成したことを特徴とする磁石埋め込み型回転子を用いた電動機。
7. 密閉容器の内部に配置した圧縮部と、この圧縮部における吸入口から吸入した冷媒ガスを圧縮して吐出口から吐出する駆動源としての請求項６記載の電動機とを具備したことを特徴とする圧縮機。
   

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